От Галилея до Цельсия

Никто из современников Галилея не мог сравниться с ним в умении увидеть великие законы в простых явлениях. Все слыхали о том, как много он узнал, размышляя о падении тела на Землю. Но не так хорошо известно, что он был одним из первых (если не первым), кто писал о механической природе тепла. Любопытен повод, который побудил Галилея к таким высказываниям.

Осенью 1618 г. над Римом появились две кометы. Небесные события всегда вселяли в людей страх или надежду. Интерес к науке необычайно возрос. Люди требовали объяснений и прогнозов.

Чезарини (ученик Галилея) пишет из Рима своему учителю в декабре этого же года: "Даже ничем не интересующиеся люди встряхнулись и даже последние лентяи всего города вскакивают со своих постелей, так что Вы можете себе представить, какое возбуждение вызвало появление двух комет и какие глупые разговоры оно породило". Возникла большая дискуссия о природе комет. Со стороны иезуитов выступает Орацио Грасси, с ним спорит ученик Галилея Марко Гвидуччи - консул Флорентийской академии. В обоих выступлениях много места занимают рассуждения об общих целях науки. В спор вступает и Галилей, он публикует книгу, названную им "El saggiatore" ("Тот, кто взвешивает золото"), в которой очень подробно излагает свои взгляды на природу физических явлений. Эта книга считается одним из шедевров итальянской прозы и до сих пор служит несравненным образцом полемической литературы.

В ней он говорит, в частности, о нагревании твердых тел при трении и приводит другие доказательства механической природы тепла. Однако он не знал, что механическим путем можно нагреть не только твердые тела, но и жидкости и даже газы.

Во времена Галилея естествоиспытатели почти ничего не умели измерять. Даже самое простое измерение длины или объема встречало трудности, так как не существовало никаких общепринятых эталонов длины. Меры длины в разных местах были разные, и сравнивать их было хлопотным делом. Измерять время было еще сложнее. Существовали, конечно, в обиходе часы - солнечные, водяные, песочные, но все они совсем не годились для сколько-нибудь точного измерения небольших интервалов времени. Законы механики могли быть открыты Галилеем только потому, что он один из первых понял, как важно производить точные измерения.

К изучению тепловых явлений Галилей подошел с тех же позиций; прежде всего он занялся тем, как измерить температуру тела.

Рис. 1 Термометр Галилея

Термометры, которые делал Галилей (около 1597 г.), состояли из стеклянного шара D), наполненного воздухом; от нижней части шара отходила трубка, частично заполненная водой и заканчивавшаяся в сосуде А, также наполненном водой (рис. 1). Когда воздух в шаре расширялся или сжимался, уровень воды в стеклянной трубке изменялся, что и служило указанием на степень нагрева, например, руки, прикоснувшейся к шару. Однако высота столбика зависела как от температуры, так и от атмосферного давления, и получать сколько-нибудь точные результаты с помощью такого термометра было невозможно. О барометре же во времена Галилея ничего не знали. Только ученик Галилея Торричелли смог установить связь между высотой столбика ртути и атмосферным давлением. При Галилее сама идея, что воздух может давить на землю, казалось неприемлемой. Итак, термометр Галилея измерял довольно неопределенную величину, но все же позволял сравнивать температуру в одно и то же время и в одном и том же месте.

Термометр Галилея не имел никакой шкалы, так что выразить его показания числом было невозможно. Нельзя было, конечно, и сравнивать показания разных термометров или показания одного прибора в разное время. В начале XVII века врач и анатом Санкторио из Падуанского университета с помощью довольно сложного термометра (который уже имел шкалу) начал измерять температуру человеческого тела, помещая конец изогнутой трубки в рот (рис. 2).

Рис. 2 По гравюре из сочинения Санкторио (1625г)

Собственно, Санкторио изучал не саму температуру, а скорость ее повышения за время, пока маятник качнется 10 раз. По его мнению, динамика лучше отражала состояние здоровья пациента, чем стационарная температура. В 1612 г. он издал в Венеции книгу "Комментарии к медицинскому искусству Галена" (авторитет Галена сохранялся более 150 лет), в которой описывал, как измерять "теплую и холодную температуру воздуха во всех областях и частях тела...". Галилея и Санкторио можно считать первыми, кто понял пользу измерения температуры.

Надо иметь в виду, что несовершенства термометра измерение температуры человеческого тела было делом непростым и занимало много времени - полчаса и больше.

Доверия к таким процедурам у врачей не было, и это начинание не было поддержано. Только к концу XVII века в Голландии Боргаф и его ученики начали систематическое исследование температуры человеческого тела.

В Италии искусство изготовления термометров необычайно развилось в Тоскане, где члены Флорентийской академии впервые стали систематически измерять давление, влажность и температуру воздуха. Термометры были запаяны, их заполняли не водой, а спиртом, и ими можно было пользоваться даже тогда, когда вода замерзала.

Флорентийские мастера были очень искусны. Они изготовляли стеклянные термометры, нанося на них деления, так что ими можно было измерять температуру с точностью примерно 1 градус (по современной шкале). В Академии были даже термометры, наполненные ртутью, но они не понравились академикам.

Рис. 3 Термометр флорентийских мастеров

Термометры флорентийских мастеров (рис. 3) представляли собой очень красивые приборы, почти произведения искусства. Но, как это бывает, после них искусство изготовления термометров резко упало. Флорентийские академики называли свою академию "Академией опыта". Она была учреждена во Флоренции в 1657 г., но еще в 1638 г. Гаспар Энс опубликовал книгу "Математический чудотворец", в которой была глава "О термометре, или Дребблевом инструменте, посредством которого исследуется градус тепла или холода, находящегося в воздухе".

Сочинение Энса знаменательно тем, что в нем описана 8-градусная температурная шкала и появилось слово "термометр".

Слово "температура" появлялось и раньше. Так, его можно найти в книге Лерешона "Математические развлечения", вышедшей в 1624 г.; может быть, отсюда его заимствовал и Энс.

Что же касается "Дребблева инструмента", то речь шла о термометрах, изготовленных соотечественником Галилея Корнелием Дребблем, который занимался изучением расширения нагретых газов (рис. 4).

Рис. 4 "Дребблев иструмен"

Очень возможно, что Дреббл сам придумал термометр. Он много занимался исследованиями расширения тел и даже изобрел машину, которая работала на расширение жидкости. Назвал он ее "вечным двигателем", поскольку она работала без помощи человека. Знаменитый в свое время Роберт Флудд - врач, филосов и мистик (каких только сочетаний специальностей не было в XVII веке!) - внес свой вклад и в изобретение термометра. В начале века он описал целую серию приборов, среди которых был и 12-градусный термометр.

История термометра многим обязана одному из удивительнейших людей XVII века - Отто фон Герике. Кроме того, что он был бургомистром Магдебурга и часто разъезжал с дипломатическими поручениями по разным городам Европы, Герике оставил о себе хорошую память и в науке. Его опыт с магдебургскими полушариями, которые не могли разорвать 16 лошадей, вошел в историю физики. Для того чтобы откачать воздух из полушарий, Герике построил первый вакуумный насос. Он изготовил также первый барометр, похожий на прибор Галилея, но с очень длинной трубкой. Герике первый стал систематически измерять атмосферное давление и попытался обнаружить связь между изменением давления и погодой.

Не удивительно, что Герике построил и сравнительно хороший термометр. Он состоял из латунного шара, заполненного воздухом, и изогнутой в форме буквы U трубки со спиртом. Как и в барометре, в термометре Герике температуру указывал деревянный человечек, который с помощью шнура и блока был связан с латунным поплавком, плававшим в открытом конце термометра. Такой термометр изображен на гравюре (рис. 5).

Рис. 5 Схема термометра Герике

Термометр Герике висел на стене его дома. Герике надо было знать температуру воздуха в каких-то абсолютных единицах для того, чтобы можно было сравнивать температуру воздуха в разных местах. Для этой цели на термометре Герике в середине шкалы стояла точка, около которой указатель останавливался при первых заморозках,-эту точку и выбрал Герике за начало шкалы. Ясно, что такой выбор был наивен, но все же Герике сделал первый шаг на пути к построению температурной шкалы.

На возможность избрать в качестве опорных точек термометра точку кипения воды и точку таяния льда указал Гюйгенс в 1655 г. Он же предложил обозначить эти точки 100 градусов (100°) и нуль градусов (0°). Он прямо писал о том, что при таком выборе можно будет сравнивать температуру ("наблюдательную степень теплоты", как он ее называл) в разных местах, не перенося один и тот же термометр с места на место.

Упомянем еще и работу Ньютона "О шкале степеней тепла и холода", опубликованную в 1701 г., в которой описана 12-градусная шкала. Нуль он поместил там же, где помещаем его сейчас и мы,- в точке замерзания воды, а 12° отвечали температуре здорового человека. Ньютон, таким образом, уже в очень четкой форме говорил о температурной шкале; по-видимому, и другие физики того времени вплотную подошли к этой идее. Но термометр еще не стал физическим инструментом.

Прошло еще немного времени, и мысль о постоянных точках на шкале температур стала общепринятой. В 1703 г. Гийом Амонтон, комментируя Ньютона, описал в мемуарах Парижской академии новый термометр. В этом термометре измерялось не увеличение объема воздуха при нагревании, а изменение его давления, для чего воз-дух запирался столбиком ртути. В новом термометре Амонтон ввел постоянные точки отсчета - точку кипения воды (он не знал еще, что эта температура зависит от давления) и, как это ни удивительно, выбрал в качестве нуля "ту значительную степень холода", при которой воздух теряет всю свою упругость. Свой "абсолютный нуль" он выбрал со значительной ошибкой, поместив его по современной шкале примерно на 240° ниже нуля (но все же это было немалое достижение). К концу своей научной деятельности Амонтон построил и полностью запаянный термометр, сделав его, наконец, совсем не зависящим от давления атмосферы.

Много интересного в эволюции термометра сделал современник Ньютона Гук. Он усовершенствовал флорентийский термометр с градуированной шкалой и учредил первый эталон термометра, с которым сравнивались рабочие приборы.

Первый современный термометр был описан Даниэлем Фаренгейтом, инструментальным мастером из Голландии. Современников удивило, что термометры, изготовленные Фаренгейтом, согласовывались между собой. "Секрет" Фаренгейта был просто в том, что он очень аккуратно наносил деления на шкалу, используя для этого несколько "опорных" постоянных точек.

В 1709 г., когда зима в Англии была особенно суровой, Даниэль Фаренгейт построил спиртовой термометр, где точка нуль отмечала самую низкую температуру той зимы. Эту температуру он получал, смешивая поваренную соль и нашатырь. В 1714 г. Фаренгейт заменил спирт на ртуть, которая расширялась и сжималась больше, чем спирт. Кроме "зимней" точки, Фаренгейт выбрал вторую точку, погружая прибор в смесь тающего льда, поваренной соли и нашатыря. Расстояние между этими двумя точками Фаренгейт разделил на 32 части. Свою шкалу он проверял, измеряя температуру человеческого тела. Новая точка попадала на 96°, Позднее появилась еще и четвертая "опорная" точка - точка кипения воды. Она лежала при 212°. Фаренгейт считал нормальной для человека температуру 96°, в то время как мы считаем 36,6° по Цельсию (36,6 °С), т. е. 98° по Фаренгейту (98 °F). Измерение температуры было в те времена делом нелегким и не быстрым. Термометр флорентийцев под мышку не поставить, столбик термометра падал быстро и медленно нагревался, когда конец длинной трубки брали в рот, как это описывал Санкторио. Наверное, Фаренгейт измерял температуру какого-то участка тела, до которого легко добраться, и тогда температура могла быть ниже. Даже в наше время не все пришли к согласию; американец считает, что у него нормальная температура, если термометр покажет 98,5 °F, т.е. 37 °С. И это не заблуждение-американец берет термометр в рот, где температура немного выше. И в простых делах легко запутаться!

Разные термометры Фаренгейта можно было сверять друг с другом, сравнивая их показания в разных "опорных" точках шкалы. Поэтому они прославились своей точностью.

Во Франции в употребление вошла шкала Реомюра (около 1740 г.), построенная на точках замерзания воды (0°) и ее кипения (80°). Реомюр из своих измерений вывел, что вода расширяется между этими двумя точками на 80 тысячных своего объема^*.

^* (Правильное значение 84/1000. )

Современная шкала Цельсия была предложена в 1742 г. Шведскому ботанику не понравились отрицательные температуры, и он счел нужным, как и Делиль, перевернуть старую шкалу и поместить нуль в точку кипения воды, а 100° - в точку ее замерзания. Но "перевернутая шкала" не завоевала популярности и была очень скоро "перевернута" обратно.

В 1727 г. в Петербурге, в здании Кунсткамеры на Васильевском острове, открылась Астрономическая обсерватория. Среди приборов в ней были термометры с разными шкалами: Фаренгейта, Реомюра и Делиля - основателя обсерватории. Термометр Делиля показывал 0°, когда кипела вода, и 150° (у некоторых термометров 120°), когда таял лед. Таким образом он хотел устранить отрицательные температуры.

Можно добавить еще несколько слов о термометре со шкалой Делиля. Ртутные термометры петербургского академика Делиля были весьма популярны в России в первой половине XVIII века. Сохранился великолепно исполненный термометр Делиля в золоченой раме, сделанный резчиком и механиком Иваном Шориным в 1739 г. К нижней его части прикреплен гигрометр. Шкала этих термометров была разделена на 150 частей. Термометры были хорошо сделаны, но все же не продержались долго, уступив место термометрам Реомюра.

До революции в России была принята шкала Реомюра - термометры Реомюра висели на улицах и во всех домах. Лишь в 30-х годах они были вытеснены термометрами Цельсия. В Англии и США до сих пор распространен термометр Фаренгейта, и, читая английские книги, не следует удивляться, что мясо надо запекать при температуре 350-400° и что температура ребенка 98° не вызывает тревоги у матери.

К истории термометра следует добавить еще две даты. Максимальный термометр, т. е. термометр, у которого столбик ртути не падает, когда его убирают от пациента, был введен в практику Эйткином в 1852 г., а современный вид медицинский термометр приобрел только в 1870 г., когда его сделал Клиффорд Олбат.

После Цельсия вопрос о выборе опорных точек и о величине градуса был решен на многие годы. Градус Цельсия, определенный как 1/100 "расстояния" по шкале термометра от точки кипения воды до точки ее замерзания, пошел в практику. Но физика и техника стали требовать более точного определения температуры, а для этого надо было решить, как точнее воспроизводить условия, при которых тает лед или кипит вода. Когда-то во времена Галилея даже тот факт, что процесс кипения воды зависит от давления, не очень волновал физиков. Но и при одном и том же давлении атмосферы кипение воды происходит при разных температурах в зависимости от количества примесей. Уже в наше время установлено, что если отложить по шкале температуры сто раз градус Цельсия (который теперь задается расстоянием между 0К и 0°С, принятым равным 273,15 К) от точки плавления льда, то мы "проскочим" точку кипения воды на несколько десятых процента. Градус Цельсия нельзя теперь определять как 1/100 расстояния "плавление льда - кипение воды".

Разделить на какое-то число равных частей шкалу тоже, оказывается, непростое дело. Если бы жидкость, заполняющая трубку термометра, расширялась равномерно, то задача упростилась. Но коэффициент расширения сам зависит от температуры, а для того чтобы проверить эту зависимость, надо иметь точный термометр. Чтобы выйти из этого положения, приходится вводить промежуточные опорные точки, точки с температурой, фиксированной точками плавления или кипения (или тройными точками) каких-либо других веществ. Проблемами температурной шкалы и градуса Цельсия занялся новый раздел науки - метрология; при этом возникли и новые практические проблемы - проблемы, неведомые пионерам термометрии.

Современная промышленность использует очень широкий интервал температур. Еще больший интервал используется в научных исследованиях: от тысячных кельвина при изучении очень тонких квантовых свойств вещества до миллионов кельвинов в установках, исследующих пути достижения термоядерного синтеза. Эти температуры надо уметь не только создавать, но и точно измерять.

Чтобы превратить простые слова учебника о градусе Цельсия (или о кельвине) в практическую единицу, потребовались многие десятилетия упорного труда.